3173 pdf

Texto completo

(1)UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA “DISEÑO Y REALIZACIÓN DE MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS”. TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA. PRESENTA JAIME ORTIZ ROJAS. DIRECTOR DE TESIS M.C. JACOB JAVIER VÁSQUEZ SANJUAN. HUAJUAPAN DE LEÓN, OAXACA MAYO DEL 2004.

(2) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 1. Resumen El proyecto realizado en la presente tesis, es el diseño e implementación de un robot móvil de control reactivo llamado Maxcota, el cual pretende ser un juguete para niños de temprana edad. Por tal motivo, este robot posee la autonomía suficiente para desplazarse en el medio ambiente que le rodea, y la capacidad de desempeñar juegos interactivos con el usuario. Entre las características principales del proyecto, cabe mencionar que Maxcota utiliza un control de mando por infrarrojo, a través de este dispositivo el usuario selecciona las funciones del robot, entre las cuales están: desplazamiento hacia delante, desplazamiento hacia atrás, giro a la derecha, giro a la izquierda, paro del robot, inicio y fin del juego interactivo, grabar y reconocer la voz del usuario. También es importante mencionar que Maxcota mantiene una interfaz de audio con el usuario, por medio de la reproducción de mensajes que le permite informar el estado en que se encuentra el sistema. Además, a través del reconocimiento de las palabras: “Juega”, ”Busca” y ”Huye”, el usuario selecciona uno de los tres juegos interactivos que tiene programado el robot, los cuales son: “Navegar en su entorno”, “Buscar al usuario” y “Huir del usuario”. Por último, Maxcota realiza el reconocimiento de su medio ambiente a través de sensores infrarrojos e interruptores de contacto, este reconocimiento consiste en detectar tanto la presencia de obstáculos como la señal enviada por el control de mando, con el fin de que el robot tome sus propias decisiones, ya sea para llevar a cabo uno de los tres juegos interactivos ó solo para evadir los obstáculos que interfieran en su trayectoria..

(3) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 2. Índice General Índice de figuras…………………………………………………………………………………...6 Índice de tablas………………………………………………………………………………….…8 Introducción………………………………………………………………………………………..9. CAPITULO 1 Fundamentos de robótica 1.1. Los robots……………………………………………………………………………………..15 1.1.1. Definición de robot…………………………………………………………………15 1.1.2. Historia de los robots……………………………………………………………...16 1.1.3. Clasificación de los robots………………………………………………………...17 1.2. Inteligencia artificial…………………………………………………………………………..18 1.2.1. Definición de inteligencia artificial ……..……………………………………….. 18 1.2.2. Historia de la inteligencia artificial………………………………………………..18 1.2.3. Clasificación de la inteligencia artificial………………………………………….20 1.3. Robots móviles……………………………………………………………………………….20 1.3.1. Historia de las primeras implementaciones de los robots móviles………….. 21 1.3.2. Historia de los paradigmas de control para los robots móviles……………….22 1.4. Estado actual de la robótica ….……………...…………………………………………….24 1.4.1. Estación de gasolina automatizada…………………………………………….. 24 1.4.2. Robot Barman……………………………………………………………………..25 1.4.3. Robot Maestro-Esclavo……………………………………………………………26 1.4.4. Explorador de planetas…………………………………………………………....27 1.4.5. Care-O-Bot…..……..……………………………………………………………….28 1.4.6. Robot guardia de seguridad………………………………………………………29 1.4.7. ERS-220 Aibo dog…………………………………………………………………30.

(4) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 3. CAPITULO 2 Marco teórico de Maxcota 2.1. Fundamentos en la implementación de los robots móviles……………………………..32 2.1.1. Anatomía de los robots……………………………………………………………32 2.1.2. Funciones básicas de los móviles………………………………………………..32 2.1.3. Enfoque a bloques para la construcción de los móviles……………………….33 2.1.4. Módulos principales de los móviles………………………………………………34 2.2. Fuente de energía para los robots móviles………………………………………………. 35 2.2.1. Tipos de baterías….……………………………………………………………….35 2.2.2. Especificaciones de las baterías…………………………………………………37 2.3. Locomoción de los robots móviles…………………………………………………………38 2.3.1. Tipos de motores utilizados en los móviles……………………………………..38 2.3.2. Especificaciones de los motores…………………………………………………38 2.3.3. Servomotores……………………………………………………………………….40 2.4. Dispositivos sensoriales de los robots móviles…………………………………………...41 2.4.1. Sensores táctiles…………………………………………………………………...42 2.4.2. Sensores de proximidad…………………………………………………………..42 2.5 Procesamiento digital de señales…………………………………………………………...44 2.5.1. Elementos básicos de un sistema de procesado digital de señales………….45 2.5.2. Dispositivo grabador y reproductor de voz: ISD2590…………………………..45 2.5.3. Módulo de reconocimiento de voz: Voice Direct 386…………………………..47 2.6. Paradigmas de control de los robots móviles……………………………………………..49 2.6.1. Descripción del paradigma de control jerárquico……………………………….50 2.6.2. Descripción del paradigma de control reactivo…………………………………50 2.6.3. Descripción del paradigma de control híbrido…………………………………..51 CAPITULO 3 Diseño y construcción de Maxcota 3.1. Diseño electrónico del robot………………………………………………………………...52 3.1.1. Desplazamiento del robot…………………………………………………………54 3.1.2. Desplazamiento de los infrarrojos……….……………………………………….55 3.1.3. Detección de obstáculos por infrarrojos…………………………………………57 3.1.4. Detección de obstáculos por interruptores de contacto……………………….59 3.1.5. Detección del usuario a través de un control de mando………………………60 3.1.6. Reproducción de mensajes……………………………………………………….61 3.1.7. Reconocimiento de frases pronunciadas por el usuario..……………………..63 3.1.8. Control de mando………………………………………………………………….66 3.1.9. Fuente de energía………………………………………………………………….68.

(5) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 4. 3.2. Construcción del robot……………………………………………………………………….69 3.2.1. Implementación de la unidad de procesamiento……………………………….69 3.2.1.1. Funciones del AT90S2313……………………………………………...71 3.2.1.2. Funciones del AT90S8515……………………………………………...73 3.2.2. Construcción de las tarjetas electrónicas del sistema…………………………76 3.2.2.1. Tarjeta principal del sistema…………………………………………….77 3.2.2.2. Tarjeta secundaria del sistema………………………………………....79 3.2.3. Descripción de la estructura interna del robot…………………………………..80 3.2.3.1. Vista inferior………………………………………………………………80 3.2.3.2. Vista superior……………………………………………………………..81 CAPITULO 4 Pruebas y resultados de Maxcota 4.1. Pruebas del sistema electrónico……………………………………………………………82 4.1.1. Desplazamiento del robot…………………………………………………………83 4.1.2. Desplazamiento de los infrarrojos………………………………………………..83 4.1.3. Detección de obstáculos por infrarrojo…………………………………………..83 4.1.4. Detección del usuario……………………………………………………………...84 4.1.5. Grabador y reproductor de mensajes ISD2590…………………………………84 4.1.6. Módulo de reconocimiento de voz VSD386……………………………………..85 4.1.7. Microcontroladores…………………………………………………………………86 4.1.8. Fuente de energía………………………………………………………………….87 4.2. Descripción de funciones……………………………………………………………………87 4.2.1. Controlar los movimientos del robot………………………………………..........88 4.2.2. Evitar obstáculos…………………………………………………………………...88 4.2.3. Mantener informado al usuario…………………………………………………...88 4.2.4. Seleccionar el juego interactivo del robot……………………………………….89 4.2.5. Llevar a cabo el juego interactivo………………………………………………...89 4.3. Especificaciones técnicas del robot……………………………………………………......89 4.3.1. Material de base……………………………………………………………………90 4.3.2. Dimensiones……………………………………………………………………......90 4.3.3. Peso….……………….…………………………………………………………......90 4.3.4. Velocidad máxima………………………………………………………………….90 4.3.5. Monitoreo de obstáculos…………………………………………………………..90 4.3.6. Velocidad de exploración….……..……………………………………………….90 4.3.7. Enlace al control de mando……………………………………………………….90 4.3.8. Consumo de corriente……………………………………………………………..91 4.3.9. Tiempo de respuesta………………………………………………………………91 4.3.10. Disponibilidad de las baterías…………………………………………………...91.

(6) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 5. 4.4. Pruebas realizadas con niños…….……………………………………………………......91 4.4.1. Cuestionario.….……………………………………………………………………92 4.4.2. Resultados de las pruebas……………………………………………………….93 4.4.3. Condiciones ambientales a las cuales se delimita el robot…………………...94 4.4.4. Recomendaciones para el usuario………………………………………………94 4.4.5. Edades de los niños a las cuales es adecuado Maxcota………..…………... 94 CAPITULO 5 Conclusiones 5.1. Características importantes del sistema……………..……………………………………95 5.2. Perspectivas para Maxcota…………………………………………………………...........96 Bibliografía………………………………………………………………………………….........97 Apéndice A: Manual de usuario……………………………………………………………..100 A.1. Características principales de Maxcota………………………………………………….100 A.2. Descripción de los componentes del robot………………………………………………102 A.3. Descripción de los botones del control de mando……………………………………..103 A.4. Descripción de funciones………………………………………………………………….103 A.4.1. Como encender el robot…………………………………………………………103 A.4.2. Como controlar los movimientos………………………………………………..104 A.4.3. Como seleccionar el juego interactivo….… ….……………… ………………104 A.4.3.1. Como almacenar las palabras claves en la memoria del robot…...104 A.4.3.2. Como realizar el reconocimiento de las palabras claves…………..105 A.4.4. Como llevar a cabo el juego interactivo………………………………………..105 A.4.4.1. Para que el robot busque al usuario…………………………………105 A.4.4.2. Para que el robot huya del usuario…………………………………..106 A.4.4.3. Para que el robot navegue en su entorno…………………………..106 A.5. Recomendaciones para mejorar el desempeño de Maxcota………………………….107 A.6. Problemas y soluciones comunes………………………………………………………..108 Apéndice B: Programa de la GAL22V10-U3……………………………………………….109 Apéndice C: Programa de la GAL22V10-U4……………………………………………….110 Apéndice D: Código fuente del AT90S2313……………………………………………….111 Apéndice E: Código fuente del AT90S8515……………………………………………….121.

(7) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 6. Índice de figuras Figura 1.1. Refuelling robot, Fraunhofer IPA, Alemania……………………………………..24 Figura 1.2. Champagne robot, Fraunhofer IPA, Alemania………………………………….25 Figura 1.3. Master-Slave robot, SES, USA……………………………………………………26 Figura 1.4. Planet rover, Nomad, CMU………………………………………………………..27 Figura 1.5. Care-O-Bot, IPA, Alemania………………………………………………………..28 Figura 1.6. Cyberguard 3, Alemania…………………………………………………………...29 Figura 1.7. Aibo dog, ERS-220, SONY………………………………………………………..30 Figura 2.1. Diseño modular para la construcción de robots…………..……………….…... 33 Figura 2.2. Gráfica comparativa del tiempo de descarga de las baterías…………………36 Figura 2.3 Descripción del control de un servomotor……………………………………….41 Figura 2.4. Diagrama de un sistema de procesamiento digital de señales………………..45 Figura 2.5. Diagrama a bloques de los ISD’s de Chip Corder………………………………46 Figura 2.6. Diagrama a bloques del Voice Direct 384……………………………………….48 Figura 2.7. Descripción de los paradigmas de control de los robots móviles……………..49 Figura 3.1. Diagrama general de los bloques del sistema…………………………………..54 Figura 3.2. Desplazamiento del robot…………….……………………………………………54 Figura 3.3. Diagrama a bloques del desplazamiento del robot..……………………………55 Figura 3.4. Desplazamiento de los infrarrojos…..…..……….……………………………….55 Figura 3.5. Diagrama a bloques del desplazamiento de los infrarrojos……………………56 Figura 3.6. Diagrama de flujo del desplazamiento de infrarrojos………..…………………56 Figura 3.7. Detección de obstáculos por infrarrojos…………………………………….……57 Figura 3.8. Señales de los TX y RX de infrarrojos…………………………………………...58 Figura 3.9. Diagrama a bloques de la detección de obstáculos por infrarrojos…………..58 Figura 3.10. Detección de obstáculos por interruptores de contacto………………………..59 Figura 3.11. Diagrama a bloques de la detección de obstáculos por interruptores………..59 Figura 3.12. Detección del usuario a través de infrarrojos……………………………………60 Figura 3.13. Diagrama a bloques de la detección del usuario por infrarrojos………….…..60 Figura 3.14. Trama recibida en el receptor de IR proveniente del control de mando…......61.

(8) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 7. Figura 3.15. Diagrama a bloques de la reproducción de mensajes……………….………..62 Figura 3.16. Diagrama de flujo de la reproducción de mensajes…………………..………..63 Figura 3.17. Diagrama a bloques del control del módulo de reconocimiento de voz ……..64 Figura 3.18. Diagrama de flujo para la función de grabar la voz del usuario………. ……..65 Figura 3.19. Diagrama de flujo para la función de reconocer la voz del usuario…………..66 Figura 3.20. Fotografía del transmisor RM-V3………..………………………………………..67 Figura 3.21. Diagrama de flujo para identificar las señales de infrarrojo………….………..68 Figura 3.22. Descripción de la fuente de energía …………………….………………………69 Figura 3.23. Diagrama general de los componentes electrónicos del sistema.……………70 Figura 3.24. Diagrama a bloques de la unidad de procesamiento…………………………..70 Figura 3.25. Diagrama de flujo del MC AT90S2313…………………………………………..72 Figura 3.26. Diagrama de flujo del MC AT90S8515…………………………………………..74 Figura 3.27. Diagrama de tiempo de los MC’s que forman la UP….………………………..76 Figura 3.28. Esquemático de la tarjeta principal del sistema…………………………………77 Figura 3.29. Circuito impreso de la tarjeta principal del sistema……………………………..78 Figura 3.30. Fotografía de la tarjeta principal del sistema……………………………………78 Figura 3.31. Esquemático de la segunda tarjeta del sistema………………………………...79 Figura 3.32. Circuito impreso de la segunda tarjeta del sistema…………………………….79 Figura 3.33. Fotografía de la segunda tarjeta del sistema……………………………………79 Figura 3.34. Vista inferior del robot Maxcota…………………………………………………...80 Figura 3.35. Vista superior del robot Maxcota………………………………………………….81 Figura A.1. Fotografía de Maxcota junto a su control de mando………………………….101 Figura A.2. Descripción de los componentes básicos de Maxcota……………………….102 Figura A.3. Descripción de los botones del control de mando…………………………….103.

(9) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 8. Índice de tablas Tabla 2.1. Descripción de los modos de operación de los ISD’s…………………………….47 Tabla 2.2. Descripción del paradigma de control jerárquico………………………………….50 Tabla 2.3. Descripción del paradigma de control reactivo……………………………………50 Tabla 2.4. Descripción del paradigma de control híbrido……………………………………..51 Tabla 3.1. Señales de control para los servomotores de tracción…………………………...55 Tabla 3.2. Señal de control para el servomotor que mueve los infrarrojos………..………. 57 Tabla 3.3. Mensajes grabados en el chip ISD2590……………………………………………61 Tabla 3.4. Descripción de los botones utilizados en el control RM-V3……………..……….67 Tabla 3.5. Códigos asignados a las señales de IR identificadas en el receptor S1…....….72 Tabla 3.6. Códigos asignados a las señales de IR identificadas en el receptor S2……….73 Tabla 3.7. Códigos asignados a la activación de los interruptores de contacto……………73 Tabla 4.1. Resultados de las pruebas realizadas con niños…………….……………………93 Tabla A.1. Fallas y soluciones más frecuentes del sistema de Maxcota………………….108.

(10) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 9. Introducción La inteligencia del hombre se ha destacado por crear incontables herramientas capaces de mejorar la forma de vida de las personas, ejemplo de ello son los llamados robots, los cuales son definidos por la enciclopedia planeta como: “ingenio mecánico controlado electrónicamente, capaz de moverse y ejecutar de forma automática acciones diversas, siguiendo un programa establecido”. Esta definición es muy general y agrupa a la mayoría de los robots, pero para diferenciar las diversas direcciones que ha tomado la robótica, se puede distinguir las siguientes clases: Robots industriales, los cuales son definidos por el Instituto de Robótica de América (RIA) como: "un manipulador multifuncional y reprogramable diseñado para desplazar materiales, componentes, herramientas ó dispositivos especializados por medio de movimientos programados variables con el fin de realizar tareas diversas". Éstos son los robots que tomaron verdadera importancia cuando se incorporaron a la producción en gran escala en las fábricas. Robots móviles, los cuales están provistos de patas, ruedas u orugas que los capacitan para desplazarse en su entorno, de tal forma que requieren sensores para obtener información acerca de su medio ambiente, y con lo cual se basa la toma de decisiones del robot para alcanzar sus objetivos. Ejemplos de aplicaciones de los móviles son el transporte de mercancías, la investigación de lugares de difícil acceso, etc. Robots de servicio, los cuales son definidos por la Federación Internacional de Robótica (IFR) como: “un robot que opera parcialmente ó completamente automatizado, realizando servicios útiles al bienestar de los humanos y/ó los equipos. Ellos son móviles, manipuladores ó una combinación de ambos”. Estos robots son los que en la actualidad están incursionando en los mismos lugares donde las personas desarrollan sus actividades cotidianas, desempeñando tareas como la limpieza, seguridad, entretenimiento, etc. Robots inteligentes, aunque la Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA) ha definido un robot inteligente como: “un robot con la capacidad de entender su medio ambiente y con la habilidad de completar con éxito una tarea a pesar de cambios en los con-.

(11) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 10. diciones de los alrededores bajo las cuales fue diseñado”, las investigaciones de la robótica continúan su desarrollo para incluir procesos de aprendizaje, con el fin de que los robots además de adaptarse a los cambios de su medio ambiente, también logren aprender de sus propias experiencias.. Problema Las aplicaciones de la robótica aumentan vertiginosamente, por tal motivo las personas interesadas en esta área requieren de la investigación y el desarrollo de estos sistemas con el fin de conocer y comprender los alcances de los robots.. Objetivos Diseñar y construir un robot móvil que pueda desenvolverse autónomamente en el medio ambiente que le rodea, y que sea capaz de interactuar con niños de temprana edad, con el fin de motivar a los pequeños a poseer una especie de mascota artificial. Una vez identificado el objetivo general de la tesis, a continuación se describen los objetivos específicos que se desean alcanzar con el robot: · Proporcionar al robot la capacidad de detectar y evitar los obstáculos que interfieran en su trayectoria. · Reproducir mensajes pregrabados para informar al usuario el estado en que se encuentre el sistema. · Implementar los juegos: “buscar al usuario”, “huir del usuario” y “navegar en su entorno”, los cuales representen la interacción del robot con su entorno y con el usuario. · Reconocer las frases pronunciadas por el usuario: “busca”, ”huye” y ”juega”, las cuales se utilicen para seleccionar el tipo de juego que debe desempeñar el robot. · Proporcionar al usuario el control de los movimientos del robot. · Incorporar un control de mando para que el usuario seleccione las funciones del robot.. Justificación La razón principal por la cual se aborda un tema de esta índole, es porque se aplican los conocimientos adquiridos durante la carrera de ingeniería electrónica, ya que la creación de este robot móvil incluye áreas como: sensores y actuadores, sistemas digitales, sistemas analógicos, sistemas de potencia, sistemas de comunicaciones, sistemas de control, robótica e inteligencia artificial. Otro motivo que justifica la realización de este proyecto, es porque se enlazan las nuevas tecnologías de los robots móviles para la creación de una especie de mascota artificial que se desempeña de manera autónoma en los mismos lugares donde las personas desarrollan sus actividades cotidianas..

(12) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 11. Por último es importante mencionar que al investigar y desarrollar este tipo de robot, se pretende documentar el proyecto para generar una visión amplia y clara acerca de los robots móviles, con el fin de proporcionar una introducción a las personas interesadas en esta área de la robótica.. Marco teórico A continuación se definen de manera breve los conceptos principales en los cuales se centra la investigación y el desarrollo de esta clase de robots. El medio ambiente es uno de los conceptos más importante de los robots móviles, ya que todas las funciones que desempeñan esta clase de robots, están íntimamente ligadas a este concepto, desde la percepción de su entorno a través de sensores, hasta la ejecución de sus planes a través de actuadores. El medio ambiente en el cual las personas desarrollan sus actividades cotidianas es muy complejo, ya que esta compuesto por una gran variedad de elementos que pueden ser estáticos ó dinámicos. Por ejemplo en una oficina se interacciona con otras personas, con el mobiliario y el equipo de trabajo. En cambio en una calle se interactúa con los automovilistas y transeúntes, etc. Por lo tanto, es importante definir el medio ambiente en el cual se desempeñará el móvil, con el fin de proporcionarle las herramientas necesarias para la realización de sus tareas, ya sea desde utilizar los llamados ambientes diseñados que recurren a la incursión de marcas, colores u objetos que ayudan al robot a mantener su ubicación, hasta emplear sistemas complejos de percepción que permitan a los robots interactuar en los llamados ambientes reales que son variables y a veces desconocidos. La autonomía es otro concepto importante para un robot móvil, la cual se puede entender por una parte como la exclusión de ser controlado externamente y también como la capacidad de auto dirigirse. De cualquier forma, en los robots móviles se involucran varios grados de autonomía. Un ejemplo de una autonomía débil la presentan los vehículos guiados automáticamente AGV, los cuales operan especialmente en ambientes diseñados y realizan tareas de transportación a través de rutas fijas con algún tipo de marcas que definen su trayectoria. Por otra parte, ejemplos de una autonomía fuerte son los robots que pueden interaccionar en un medio ambiente real a través de su propio proceso de razonamiento, por lo cual necesitan emplear eficientes sistemas de percepción y crear modelos del medio ambiente para no necesitar de marcas ó de instrucciones externas. De acuerdo a los conceptos anteriores y a los objetivos del proyecto, el enfoque que se emplea para resolver la toma de decisiones del robot Maxcota, se basa en un control reactivo, el cual está construido por procesos de sensar-actuar, simulando que la salida de un sensor va directamente a la entrada de un actuador, y que el robot tiene que realizar múltiples procesos concurrentes, los cuales se desarrollan independientemente de lo que realicen los demás procesos..

(13) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 12. Hipótesis El desarrollo de los robots móviles es complejo ya que se emplean diversas áreas de investigación con el fin de formar sistemas autónomos que desempeñen tareas específicas dentro de su medio ambiente.. Limitaciones A continuación se mencionan las limitaciones principales a las que se enfrenta el proyecto. 1. La comunicación oral entre el robot y el usuario se encuentra limitada por la complejidad de las funciones que intervienen en una conversación, como escuchar, comprender, analizar, sintetizar y responder. Además de necesitar una gran capacidad de memoria para almacenar información. 2. El desplazamiento del robot se encuentra limitado por las características físicas de las superficies en donde se desempeñe el móvil, ya que la capacidad de moverse en cualquier medio ambiente, por ejemplo en rocas, arena, grava, etc., está ligada a poderosos sistemas de locomoción que incrementan el costo del proyecto. 3. La percepción del medio ambiente a través de complejos sistemas de percepción como lo son nuestros cinco sentidos queda fuera del alcance del proyecto. La razón principal es porque al emplear dispositivos de entrada que proporcionen mayor información acerca del entorno, también se requiere mayor poder computacional para darle sentido a la información recabada. 4. La capacidad de Maxcota para tomar decisiones se encuentra limitada por las características físicas del robot, ya que se desea construir un móvil de pequeñas dimensiones, con lo cual es imposible generar procesos complejos que requieren de mayores recursos de hardware y software.. Delimitaciones A continuación se describen las delimitaciones que hacen viable el proyecto. 1. Por la complejidad que implica mantener una comunicación oral entre el robot y el usuario, el proyecto se delimita a transmitir mensajes pregrabados y a reconocer frases que representen tareas programadas en la memoria del robot. 2. El desplazamiento del robot se restringe a ambientes cerrados que incluyan superficies firmes y lisas, evitando emplearse en lugares al aire libre..

(14) MAXCOTA, UN ROBOT INTELIGENTE PARA NIÑOS. 13. 3. La percepción del medio ambiente se delimita a detectar obstáculos que interfieran la trayectoria del robot, y a identificar las señales enviadas por un control de mando, con lo cual el usuario controle las funciones de Maxcota. 4. La toma de decisiones del robot queda restringida a reacciones instintivas de los procesos sensar y actuar, dejando excluidos los procesos de planeación y construcción de modelos internos.. Estructura de la tesis El proyecto de Maxcota se describe en cinco capítulos. El primero proporciona una visión global de la robótica y de la inteligencia artificial a través de la historia, además se incluyen definiciones básicas sobre los conceptos que se emplean en el desarrollo y la investigación de los robots. El capítulo dos se refiere a los fundamentos teóricos del proyecto, es decir, aquí se describen los principios de operación de los dispositivos que conforman al sistema, y también se muestra la gran variedad de elementos que son empleados para la implementación de los robots móviles. El capítulo tres muestra el trabajo realizado durante la construcción de Maxcota, el cual comienza con el establecimiento de las tareas propuestas para el robot, después se describe el diseño del sistema electrónico que lleva a cabo las funciones propuestas, y por último se menciona el proceso de construcción del sistema. En el capítulo cuatro se mencionan las pruebas realizadas al sistema electrónico. Además, se presentan los resultados obtenidos por la caracterización del producto y también se describen las funciones que se lograron implementar en Maxcota. El capítulo cinco hace referencia a las conclusiones del proyecto, mencionando las ventajas del sistema e incluyendo las perspectivas para el robot. El apéndice A es el manual del usuario, el cual es una guía para conocer los requerimientos, capacidades y restricciones del sistema. Esta sección inicia con la descripción física del producto, continúa con la explicación del manejo del control de mando para seleccionar las funciones del robot, y por último se mencionan las recomendaciones, junto con los problemas y las soluciones más comunes del sistema. En el apéndice B y C se muestra respectivamente el código fuente de los microcontroladores empleados para formar la unidad de procesamiento, los cuales son el AT90S2313 y AT90S8515. Los apéndices incluyen los comentarios necesarios para entender las rutinas y los procedimientos implementados para el control de cada uno de los dispositivos electrónicos que conforman al robot Maxcota..

(15) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 14. Capítulo 1 1. Fundamentos de Robótica El campo de la robótica es interdisciplinario, ya que va desde el diseño de componentes mecánicos y electrónicos hasta tecnología de sensores, sistemas computacionales e inteligencia artificial [Fu]. El estudio de la robótica es complejo porque abarca muchas áreas de investigación que son extensas y se encuentran en constante crecimiento. Por este motivo, el objetivo de este capítulo es introducir al lector en el campo de la robótica, a través de una visión global de los trabajos realizados a lo largo de la historia. Este capítulo incluye 4 secciones. La primera se refiere a los inicios de los robots como sistemas mecánicos que realizan tareas simples y repetitivas. La siguiente sección inicia en los años 50’s, con la fundación de la inteligencia artificial que intenta dotar a las máquinas de un comportamiento inteligente. La tercera sección hace referencia a los robots móviles, los cuales forman una línea de investigación que une a la inteligencia artificial con los sistemas mecánicos simples y repetitivos, para crear una nueva clase de robots que tiene la capacidad de desplazarse e interactuar en el medio ambiente que los rodea. En la última sección se muestra el estado actual de la robótica, la cual se refiere a la nueva generación de robots que se aplican a la vida cotidiana de las personas, desempeñándose autónomamente para prestar algún servicio como: asistencia médica a enfermos y ancianos, seguridad y vigilancia de edificios, etc..

(16) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 15. 1.1. Los robots A continuación se describen conceptos básicos sobre los robots, iniciando con su definición para poder identificar y describir a estos sistemas complejos. Además se incluye un breve resumen sobre los primeros robots que se han construido a lo largo de la historia, con el fin de mostrar el desarrollo y los avances realizados en el campo de la robótica.. 1.1.1. Definición de robot Numerosas personas e instituciones dedicadas a la robótica han creado definiciones sobre los robots, las escritas a continuación son elegidas por ser las más generales y porque agrupan una gran variedad de sistemas. La definición citada por el Instituto de Robótica en América (RIA) dice: “Un robot es un manipulador ó dispositivo reprogramable y multifuncional, diseñado para mover materiales, herramientas ó componentes especiales por medio de movimientos variables y programados, con el fin de llevar a cabo un gran número de diferentes tareas” [Nehmzow]. La definición propuesta por RIA hace referencia a un manipulador industrial, pero abarca a los distintos tipos de robots que cumplen con el hecho de ser reprogramables y multifuncionales, es decir, cualquier dispositivo capaz de ser programado para dar movimiento a objetos en un área de trabajo especifica. La definición de un robot móvil citada por Ryback es: “Un sistema complejo equipado con sensores para recibir información acerca del estado de su medio ambiente, con mecanismos ejecutores para actuar sobre los objetos de su medio ambiente y con un sistema de control para proveer el logro de sus objetivos dentro de un medio ambiente variable” [Ryback]. Esta definición hace referencia a un mecanismo complejo que abarca cualquier tipo de robot que pueda interactuar con su medio ambiente. Por supuesto, deberá de ser un mecanismo dotado de movimiento para desplazarse en su entorno, además debe de poseer una autonomía que le permita tomar decisiones ante los cambios de un medio ambiente variable interactuado por personas, maquinas, etc. El desarrollo y la investigación de los robots van incorporando diversas áreas para la creación de mejores y más complejos sistemas. Por ello, una definición que agrupe todo lo que un robot representa es cada vez más difícil de hacer. Pero de manera personal, todos los robots muestran una misma similitud: “Son maquinas con diferentes grados de complejidad, diseñadas para realizar una tarea específica en beneficio de las personas”..

(17) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 16. 1.1.2. Historia de los robots Karel Capek inventó la palabra robot en los años 20’s. Capek era checoslovaco y escribió una obra de teatro llamada R.U.R. (Robots Universales de Rusia). En 1942 la palabra robótica apareció por primera vez en una novela llamada “Run-Around” escrita por un autor americano llamado Isaac Asimov. Pero la idea de los robots apareció mucho antes de que se inventara la palabra [Nehmzow]. Hace aproximadamente 3400 años, los egipcios hicieron figuras humanas en sus relojes, las cuales impulsadas por agua hacían sonar unas campanas para dar la hora [Greene]. Más de mil años después un griego de nombre Arquitas manufacturó una paloma de madera que podía mover sus alas. Otros mil años después, el emperador Constantino VII de Bizancio tenía un árbol lleno de pájaros mecánicos, los cuales movían sus alas y cantaban [Greene]. En el siglo XIII, Alberto Magno inventó una especie de robot, algunas historias dicen que podía caminar y otras que podía hablar. El científico Ingles Roger Bacon, construyó un robot con la esperanza de que respondiera los secretos del universo, éste producía humo, sus ojos brillaban e incluso movía la quijada [Greene]. Luego, en el siglo XVIII, la gente empezó a aprender más acerca de las máquinas, James Watt inventó la máquina de vapor y pronto las fábricas estaban usando más sistemas mecánicos. Thomas Alva Edison descubrió varias formas de utilizar la electricidad y para la década de los 30’s las personas tenían muchas clases de máquinas y ya estaban listos para tomar en serio a los robots [Greene]. En 1932 se presentó en Londres un robot llamado Alfa, el cual podía leer, inclinarse, decir la hora, cantar y fumar puros [Caballero]. Elektro y su perro Sparky fueron grandes éxitos de la feria mundial de Nueva York en 1939. Elektro podía caminar, contar con los dedos y dar ordenes a Sparky, que a su vez podía mover la cola y ladrar [Caballero]. En 1948 William Gray Walter construyó dos tortugas robots, Elmer y Elesie que podían ir de un lado a otro sin chocar con las cosas [Caballero]. En 1952 Claude Shannon construyó un robot ratón, el cual podía encontrar su camino en un laberinto. Éstos eran los primeros robots que imitaban los procesos del pensamiento, al menos un poco [Caballero]. Pero la verdadera importancia de los robots se obtuvo en la automatización de los procesos de producción, ya que su utilización revolucionó la forma de trabajo, incremen-.

(18) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 17. tando la eficiencia y la calidad de grandes fábricas. De esta forma, se ha creado una demanda que implica la investigación y el desarrollo de nuevos robots. En la actualidad los robots comienzan a remplazar a los humanos en las tareas de servicio, las aplicaciones de estos robots se están incrementando día a día y aunque el futuro de los robots es incierto, solamente hay que esperar las nuevas generaciones que traerán mayores beneficios para la humanidad.. 1.1.3. Clasificación de los robots De acuerdo a la aplicación para la cual fue construido cada robot, se ha desarrollado una clasificación que no es rigurosa dado que va cambiando conforme avanza la tecnología, pero se ha incluido para poder ubicar al proyecto de Maxcota en alguna de las siguientes clases: · Robots didácticos o experimentales. Son sistemas dedicados a la enseñanza y aprendizaje de la robótica, y no cumplen una tarea específica como tal. Se puede nombrar dos tipos: Estáticos, los cuales se encuentran sobre una base fija y generalmente tienen la forma de un brazo mecánico. Móviles, los cuales van montados en una plataforma que se puede desplazar sobre una superficie lisa. · Robots de entretenimiento. Son productos fabricados en serie cuya finalidad es meramente recreacional y como algunas veces cumplen funciones similares a las de los robots experimentales, pueden confundirse con ellos. Algunos de estos robots tienen un control remoto, otros funcionan de forma autónoma y otros tienen una interfaz a una computadora. · Robots industriales. También llamados manipuladores, realizan tareas repetitivas y se emplean en gran escala en la industria donde se utilizan para armar o ensamblar automáticamente determinados productos. Generalmente tienen la forma de un brazo mecánico donde se adapta en su extremo la herramienta que sea necesaria, ya sea para taladrar, ajustar, soldar, pintar, transportar, etc. · Robots de servicio. Este tipo de robot empieza a incursionar en actividades cotidianas como: poner combustible a automóviles, limpiar aviones, servir bebidas, guiar a turistas, etc. Por lo tanto, poseen su propio sistema de control que les permite realizar sus funciones autónomamente. Generalmente estos robots son manipuladores, móviles ó una combinación de ambos. Dada esta clasificación, el proyecto de Maxcota queda incluido como un robot didáctico, porque a pesar de que desempeña funciones de entretenimiento, no es un producto que se encuentre disponible para ser utilizado por un usuario final..

(19) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 18. 1.2. Inteligencia Artificial A continuación se describe una sección referida a la inteligencia artificial (IA). Iniciando con su definición para visualizar sus objetivos y sus metas. Además se incluye un breve resumen sobre su historia, con el fin de mostrar el desarrollo y los avances realizados en esta área de investigación. La sección termina con la clasificación de la IA, para ubicar al robot Maxcota dentro de los proyectos de IA basados en comportamiento.. 1.2.1. Definición de IA Probablemente la definición más citada de inteligencia artificial es: “El arte de crear máquinas que ejecutan funciones que requieren inteligencia cuando son realizadas por las personas” [Kuizweil]. Es decir, si nosotros mismos nos consideramos inteligentes, cualquier máquina que realice nuestras actividades y comportamientos tiene que ser considerada inteligente. Pero si profundizamos más en la definición de IA, aún falta explicar que actividades realizadas por las personas deben ser consideradas inteligentes. Por ejemplo: un par de personas que jueguen ajedrez son considerados inteligentes, pero desplazarse en una habitación parecería una actividad que no requiere de inteligencia. Lo cierto es que no recordamos el tiempo y el esfuerzo que nos tomó aprender y dominar tales actividades. Pero resulta igual de difícil construir robots que se muevan alrededor de una habitación sin tener tropiezos, que hacer máquinas que jueguen ajedrez a través de reglas de correspondencia. De cualquier manera, la inteligencia para los robots se refiere a su comportamiento y el criterio con el cual se mide, depende de un punto de vista particular, porque un robot puede parecer inteligente en una situación específica pero incompetente en otra, ya que no existe un robot de propósito general.. 1.2.2. Historia de la IA El término de inteligencia artificial no fue visto impreso hasta en 1956, año en que se celebró la conferencia de Dartmouth. Pero conceptos sobre la inteligencia humana y la forma de razonamiento se desarrollaron mucho antes. En el siglo 5 a.c. Aristóteles propuso el primer sistema formal de razonamiento deductivo. Describiendo como los seres humanos reconocen el mundo y que al reconocer algo se ordena en distintos grupos o categorías [Caballero]. En el siglo 17 d.c. Tomas Hobbel filósofo Ingles considerado el abuelo de la IA proclama: “La razón no es sino cómputo, pensar está formado por operaciones simbólicas exactamente como hablar ó hacer cálculos en papel, con la diferencia de que pensar se realiza internamente mediante señales cerebrales” [Caballero]..

(20) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 19. Muchos lógicos y filósofos trabajaron para formalizar y mecanizar las leyes del pensamiento. Uno de estos nombres clásicos es George Boole (1815-1865) quien inventó el álgebra booleana y definió los estados lógicos [Charniak]. En 1943 Warren McCulloch y Walter Pitts propusieron un modelo de la neurona del cerebro humano y animal. McCulloch postulaba que el cerebro humano es un solucionador inteligente de problemas, de modo que deberíamos de imitar al cerebro [Charniak]. Quizás la primera persona en ver claramente la posibilidad de una computadora inteligente fue Alan Turing (1912-1954), quien trabajó con precursores de la computación moderna durante la segunda guerra mundial, para después publicar su famoso artículo “Computing Machinery and Intelligence” en el cual mostró la idea de que una computadora programada podría exhibir un comportamiento inteligente [Charniak]. El trabajo de Turing fue continuado en los Estados Unidos por John Von Neuman durante la década de los 50’s. Su contribución central fue la idea de que las computadoras deberían diseñarse tomando como modelo al cerebro humano. Neuman construyó una serie de máquinas y diseñó los primeros programas almacenados en las memorias de las computadoras [Charniak]. La fundación de la IA como tal, ocurrió durante la conferencia de Dartmouth en 1956. Ésta fue organizada por un profesor de matemáticas llamado John McCarthy y con la ayuda de Marvin Minsky. En esta conferencia se conocieron los 4 hombres que guiaron a la IA al menos en los Estados Unidos por los siguientes 20 años. John McCarthy en la Universidad de Stanford, Marvin Minsky en el MIT, Allen Newel y Hebert Simon de la Universidad de Carnegie-Mellon [Charniak]. A partir de la conferencia de Dartmouth la IA comenzó a desarrollarse en muchas aplicaciones de la ciencia, la industria, el arte, etc. En la actualidad, la IA realiza muchas líneas de investigación, entre las más importantes están: · · · · · · · · · ·. Redes neuronales. Visión computacional. Procesamiento del lenguaje natural. Sistemas multi-agentes. Sistemas expertos. Realidad virtual. Algoritmos genéticos. Lógica difusa Razonamiento basado en caos. Robótica..

(21) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 20. Dentro de pocas generaciones se verán las implicaciones de crear estos sistemas inteligentes, porque la IA en un futuro podrá simular el razonamiento de científicos, artistas y de cualquier persona, con el fin de realizar las mismas funciones más eficientemente. Y a pesar de que no estamos preparados para esta revolución, la IA continuará su desarrollo.. 1.2.3. Clasificación de la IA La clasificación de la IA se basa en las dos grandes direcciones que han tomado todas las líneas de investigación: una es la IA Basada en el Conocimiento (IABCN) y otra es la IA Basada en el Comportamiento (IABCM). La IABCN, ha manejado la representación del conocimiento y se ha encargado de modelar y de construir sistemas que dominan algún problema. Estos sistemas no tienen restricciones de tiempo para dar soluciones, sólo resuelven un problema a la vez y es indispensable que el dominio del problema sea estable y estático [Caballero]. La IABCM, se basa en la descomposición de la inteligencia en módulos que generan un comportamiento individual, los cuales coexisten y cooperan haciendo emerger un comportamiento más complejo, que no se encuentra programado en ningún módulo de forma explícita y que es resultado emergente de la interacción entre los módulos que conforman al sistema y de la interacción con su medio ambiente [Caballero]. Dada esta clasificación, el proyecto de Maxcota queda dentro del la IA basada en comportamiento, ya que no requiere una base de conocimiento para planear una acción. En vez de eso, toma sus decisiones en base a procesos cíclicos de sensar-actuar, los cuales forman módulos individuales que son preplaneados y programados en el robot, pero que se interrelacionan para alcanzar los objetivos del sistema.. 1.3. Robots móviles Una vez revisado los conceptos básicos sobre los robots y la inteligencia artificial, esta sección hace referencia a los robots móviles, iniciando con su definición para identificar sus características más importantes. Además se incluye un breve resumen sobre las primeras implementaciones y los paradigmas de control que determinan el comportamiento de esta clase de robots. La mayoría de los robots usados en la industria de hoy, son manipuladores que operan con un limitado espacio de trabajo y no pueden moverse del lugar donde realizan sus actividades. Los robots móviles no tienen esa limitante, porque pueden desplazarse en el medio ambiente que los rodea a través de la locomoción de motores..

(22) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 21. El tipo más común de robot móvil es el vehículo guiado automáticamente AGV. Éstos operan especialmente en ambientes diseñados y realizan tareas de transportación a través de rutas fijas con algún tipo de marcas que definen su trayectoria. Como los AGV’s operan en ambientes diseñados, éstos son inflexibles e inestables. Alterar la ruta es costoso y algún cambio imprevisto puede llevar al fracaso de la tarea. Las desventajas de los AVG’s dieron origen a la construcción de robots móviles con mayor autonomía, es decir, con la capacidad de tomar un curso de acción por su propio proceso de razonamiento, en lugar de seguir marcas ó de realizar una secuencia de instrucciones programadas externamente. De tal manera que un robot móvil de fuerte autonomía tiene la capacidad de moverse en un medio ambiente real, realizando diferentes tareas paralelamente. Además está capacitado para adaptarse a los cambios de este ambiente, aprender de experiencias y cambiar su comportamiento acorde a su nuevo conocimiento [Nehmzow]. Éstos son los nuevos robots llamados inteligentes.. 1.3.1. Historia de las primeras implementaciones de los robots móviles Los robots móviles siempre han estado ligados a la IA, por tal motivo las primeras implementaciones de este tipo de robots no difieren de 1956, año en el cual se celebró la conferencia de Dartmouth y en donde el término de inteligencia artificial fue concebido. William Grey Walter construyó un par de robots móviles a principios de 1950, los cuales evitaban obstáculos y tomaban fotos por condicionamiento instrumental, cambiando las cargas de un capacitor que controlaba el comportamiento del robot [Nehmzow]. Los primeros pioneros de la IA, tales como Marvin Minsky y John McCarthy comenzaron a interesarse en la robótica. A finales del año de 1950, Minsky junto con Richard Greenblood y William Gosper intentaron construir un robot jugador de ping pong, pero debido a dificultades técnicas con el hardware de la máquina, el robot se diseñó para atrapar un balón usando una canasta [Nehmzow]. El robot SHAKEY fue el primer robot móvil desarrollado por el centro de IA en el instituto de investigación de Stanford de 1966 a 1972. SHAKEY usó un sistema de percepción para modelar su ambiente y poder interactuar en él. Con rutinas de bajo nivel podía realizar movimientos simples y planear rutas. Las acciones intermedias lo ayudaban a realizar tareas más complejas. Y con rutinas de más alto nivel podía ejecutar planes para conseguir las metas dadas por el usuario. Sin embargo sólo funcionaba en ambientes cuidadosamente diseñados, porque las escenas debían contar con marcas en el piso, paredes de color uniforme y los obstáculos tenían que ser bloques de colores [Nehmzow]. También en Stanford John McCarthy comenzó un proyecto a principios de 1970, construyendo un robot que debía ensamblar un kit de televisión a color. Muchos investiga-.

(23) CAPITULO I FUNDAMENTOS DE ROBOTICA. 22. dores que estuvieron interesados en las primeras etapas de los robots con IA, dejaron el aspecto del hardware a un lado y se concentraron en el software, continuando el desarrollo de los trabajos relacionados con los paradigmas de control [Nehmzow]. El robot explorador desarrollado en 1970 en el Laboratorio de Propulsión Jet (JPL) en Pasadera, fue diseñado para una exploración planetaria. Usando una cámara de TV, un láser y sensores táctiles, el robot definía el medio ambiente como desplazable, no desplazable y desconocido [Nehmzow]. En Stanford a finales de 1970, Hans Moravec desarrolló un robot llamado CART. La tarea de este móvil era evitar obstáculos usando una cámara, la cual tomaba nueve fotografías del lugar para crear un modelo del mundo bidimensional. Entonces debía moverse 1 metro enfrente y repetir el proceso. CART tomaba 5 minutos para digitalizar las imágenes, 5 para representar los obstáculos mediante círculos y otros 5 minutos para obtener el modelo del mundo y planear su trayectoria. El robot evitaba completamente los obstáculos a pesar de que era muy lento [Nehmzow]. En Europa a finales de 1970 HILARE fue desarrollado por LAAS (Laboratorio para Análisis y Arquitecturas de Sistemas) en Toulouse. HILARE usaba visión por computadora, un láser y un sensor ultrasónico para navegar en un ambiente real. El proceso de análisis de escenas requería de 10 segundos y el proceso de visión alcanzaba una distancia de 20cm. La navegación y la planeación del camino fueron realizados usando una representación poligonal a dos dimensiones del espacio con un sistema global de coordenadas [Nehmzow]. Éstas fueron las primeras implementaciones de los robots móviles, las cuales pertenecían a la clasificación de la IA basada en conocimiento, ya que la toma de decisiones que realizaban para interactuar en su entorno se basaba en construir representaciones internas del mundo.. 1.3.2. Historia de los paradigmas de control para los robots móviles Un paradigma es un enfoque general para visualizar un problema y poder solucionarlo. Los paradigmas de control para los robots móviles son actualmente tres: Jerárquico, Reactivo e Híbrido. Las primeras implementaciones de los robots móviles pertenecen al paradigma de control jerárquico, porque la toma de decisiones se basaba en una secuencia cíclica de los procesos: sensar, planear y actuar, SPA. El principal problema de este paradigma fue el tiempo excesivo que necesitaba el ciclo de SPA, por lo cual no interactuaba de manera óptima con el mundo real. Muchas de las investigaciones en un principio fueron orientadas a desarrollar ciclos más rápidos, con.